山地城市地铁线路曲线段异常波磨现象的产生机理及抑制方法

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动观点建立了相应区间弹性长轨枕支承轮轨系统的有限元模型,采用复特征值分析研究了波磨高发区段轮轨系统的摩擦自激振动特性。综合动力学分析和摩擦自激振动分析,研究了轮轨蠕滑特性、轮轨摩擦自激振动与波磨病害的关联性,从而揭示此类异常波磨病害的产生机理。进一步地,分别研究了车辆动力学参数和轨道支承结构参数对该区段轮轨摩擦自激振动的影响,并提出抑制波磨的相关方法。分析结果表明,在山地城市地铁线路波磨高发区段的缓和曲线到圆曲线处导向轮对外轮与外轨间的蠕滑力趋于饱和,轮轨间饱和蠕滑力易于诱导轮轨摩擦自激振动的产生,从而可能导致曲线外轨处产生波长为50~60 mm的异常波磨。在抑制方法的研究中发现车辆动力学参数的改变对轮轨摩擦自激振动特性的影响不大。同时,在一定范围内减小扣件垂向刚度和垂向阻尼有助于抑制该区段轮轨摩擦自激振动的发生,当扣件的垂向刚度为5 MN/m,垂向阻尼为10 000 N·s/m时,轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小。以上均为山地城市异常波磨病害的抑制提供参考。     

摩擦调节剂抑制钢轨波磨的机理研究

基于轮轨之间的摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点,论文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕组成的轮轨系统有限元弹性振动摩擦自激振动有限元模型,用ABAQUS软件对该模型的运动稳定性进行了分析,重点研究了轮轨摩擦系数和蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率对轮轨系统摩擦自激振动的影响。计算结果显示,轮轨摩擦系数对轮轨摩擦自激振动有重要影响,当控制摩擦系数 时可以消除钢轨磨耗型波磨,蠕滑力-蠕滑率曲线负斜率对钢轨波磨有显著影响。     

短轨枕区间钢轨波磨的现场测试和数值研究

基于轮轨摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,综合采用现场测试和数值仿真的方法共同研究了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上的钢轨波磨。在现场测试中,测试了车辆通过该区段时的振动信号。在数值仿真中,建立了短轨枕整体道床支撑小半径曲线轨道上导向轮对的弹性振动模型。综合采用瞬时动态分析和复特征值分析计算了轮对通过该路段时的动态响应和不稳定振动模态。现场测试和数值仿真结果的一致进一步证明了在小半径曲线轨道上,轮轨间的饱和蠕滑力能够导致轮轨系统发生摩擦自激振动,从而产生钢轨波磨。同时,当轮对通过相应测点时,可以发现其垂向振动加速度具有明显波动,这意味着摩擦自激振动的产生。并且,在里轨表面垂向振动加速度的振幅明显大于在外轨表面垂向振动加速度的振幅。因此,由摩擦自激振动导致的钢轨波磨主要发生在里轨上,且通过数值仿真预测得到摩擦自激振动导致波磨的波长与现场实测结果近乎一致。     

轨枕支撑刚度和阻尼对小半径曲线钢轨磨耗型波磨影响的有限元研究

基于Brockley轮轨系统的摩擦自激振动引起钢轨的磨耗型波磨的理论,本文建立了车辆稳态通过小半径曲线时由轮对－钢轨－轨枕弹簧组成的系统有限元弹性振动模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦系数的乘积,应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性。计算结果显示,当摩擦系数μ>0.28时,轮轨系统在饱和蠕滑力作用下存在很强的自激振动趋势。这种自激振动可能是引起小半径曲线线路上内轨短波波磨的原因。研究了轨枕支撑弹簧刚度和阻尼对钢轨波磨的影响,发现较软的轨枕支撑弹簧刚度和合适的轨枕支撑阻尼可以抑制曲线线路上内轨的短波波磨。研究也发现,把离散轨枕弹簧支撑改为连续弹簧支撑,仍然不能完全消除这种磨耗型钢轨波磨。     

直线线路科隆蛋扣件地段钢轨波磨成因的理论研究

在我国地铁线路上发现科隆蛋扣件地段的钢轨波磨不仅发生在小半径曲线区段,而且在直线区段也会出现。基于轮轨摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点,研究了地铁直线线路上科隆蛋扣件地段的钢轨波磨,建立了轮轨摩擦耦合弹性自激振动模型。采用复特征值法和瞬时动态分析法研究了轮轨系统的运动稳定性和动态特性。计算结果表明在饱和蠕滑力作用下的直线线路科隆蛋扣件地段容易产生40~50 mm波长的钢轨波磨。当使用刚度较大的DTVI2扣件代替刚度较小的科隆蛋扣件时,直线线路上的波磨将得到抑制。因此,适当的增加扣件的刚度有助于抑制直线轨道上的钢轨波磨,然而该方法在曲线轨道上并不适用。     

硬粒子对聚合物材料表面的冲击摩擦研究

冲击摩擦为接触面切向与法向冲量之比。用聚合物材料试件与弹簧钢片组成振动测试系统 ,硬粒子以一定入射角冲击试件水平面引起系统振动 ,接触冲量通过振幅反映出来 ,记录初始振幅值而计算出一个冲击过程的冲击摩擦因数。结果表明 ,当入射角α在 2 5°-60°变化时 ,冲击摩擦因数f从 0 .5降至 0 .2左右。文章同时分析讨论了摩擦对聚合物表面接触强度的影响。     

激光表面织构化钛合金摩擦学性能研究

通过激光刻蚀在钛合金表面形成50,100,150,200μm等宽栅条和50,100,200μm直径均布点坑。采用UMT-2进行富油润滑摩擦磨损实验。通过Phillips XL30扫描电子显微镜观察磨痕形貌。研究结果表明:等宽栅条和均布点坑都有储存油液、利于形成润滑油膜、收集磨屑的作用;纹理表面摩擦因数都有所降低,减摩效果与纹理尺寸相关,也受荷载影响;等宽栅条减摩效果优于均布点坑;纹理尺寸越小摩擦因数越低,耐磨性越差;载荷为1～3 N时,50μm等宽栅条取得最好减摩抗磨效果,摩擦因数为0.116～0.124,耐磨时间也较长;4～6 N时,100μm等宽栅条最好,摩擦因数约0.19。     

铁路曲线钢轨横向凹坑对初始波磨形成的影响

建立了车辆/轨道横向垂向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨波磨计算模型,发展了相应的数值方法。利用该方法分析了曲线钢轨顶面内侧具有横向凹坑对初始波磨形成的影响。计算了客车车辆通过钢轨轨头横向凹坑时,同一个转向架的4个车轮反复作用下钢轨初始波磨形成和发展情况。数值结果表明,当车辆通过具有横向凹坑的曲线钢轨时,轮对和钢轨之间发生瞬态冲击振动,引起钢轨接触面产生不均匀磨损而形成初始波磨,随着车辆通过次数增加,不均匀波磨深度加大并向前扩展,形成大约30mm和750mm的波长;当车轮通过横向凹坑瞬间,车轮和钢轨之间发生激烈的振动,使4车轮下的钢轨接触表面产生严重的凹坑磨损,当车辆再次通过时,轮轨间的振动继续加剧,凹坑磨损深度迅速加大;前轮对通过凹坑而受激振动对后轮对动力学行为影响较大,导致后轮对作用下钢轨接触面不均匀磨损严重,但后轮对受激振动对前轮对动力学行为的影响较小;前轮对左轮受外轨激振作用而导致前轮对右轮下钢轨接触面凹坑磨损最严重。     

催化剂加料器计量组件摩擦自激振动分析

针对聚乙烯生产中催化剂加料器强制下料故障频发的问题，该研究基于加料器计量组件摩擦副接触不紧密引发强制下料的观点，提出通过分析计量组件摩擦自激振动特性探究强制下料发生机制的新思路，应用有限元复特征值法对计量组件摩擦自激振动特性进行了分析，分析表明现役计量组件在正常工况下易发生摩擦自激振动，且摩擦自激振动会改变浮动盘与计量盘之间的接触状态，是引发强制下料的重要原因。进一步地，将参数不确定性引入计量组件系统，基于响应面代理模型对系统摩擦振动性能进行可靠性评估，结果显示计量组件在考虑参数不确定时较理想设计状态更容易发生摩擦自激振动，摩擦振动性能亟待提高。参数全局灵敏度分析结果表明优化浮动盘相关参数是提升系统摩擦振动性能的重点，结合参数影响性分析，从摩擦振动的角度给出了计量组件改进具体措施。该研究结果可为加料器强制下料发生机制研究及计量组件优化设计提供有益参考。     

干气密封摩擦界面法向接触刚度分形模型

为揭示干气密封摩擦界面的摩擦振动规律,用分形参数表征干气密封摩擦界面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,以及概率理论建立了干气密封摩擦界面法向接触刚度分形模型。通过与相关实验数据和模型的对比,验证了该模型的合理与正确。对影响法向接触刚度的关键因素进行了数值分析,研究结果表明:法向接触刚度随分形维数、真实接触面积的增大而增大;当接触面积一定时,法向接触刚度随特征尺度、摩擦因数的增大逐渐减小。相比于分形维数、特征尺度对法向接触刚度的影响,摩擦因数的影响相对较小。该研究结果为进一步研究干气密封摩擦振动奠定了基础。     

316L不锈钢沟槽型表面微织构减摩特性实验研究

采用激光微加工技术在316L不锈钢光滑表面上进行沟槽型织构化处理。在往复式摩擦磨损试验机上利用柱-平面接触方式对沟槽型织构和光滑表面进行摩擦磨损对比实验,重点考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电子显微镜对磨斑形貌进行了分析。结果表明,与未织构试样相比,织构化表面的摩擦因数均有不同程度减小且表现得更为稳定、磨损相对轻微,这是由于所制备的表面微坑起到了储存润滑介质并捕获磨屑的作用;织构条纹的结构参数对摩擦磨损有重要影响,随着沟槽宽度和沟槽间距的增大,摩擦因数均呈先下降后上升的趋势,而当沟槽宽度为100μm和沟槽间距为200μm时减摩抗磨性能最佳;此外,研究表明接触载荷对织构化表面摩擦因数的影响较小,织构化处理对高负载环境下的减摩抗磨性能影响更加显著。     

高弹扣件轨道车轮间振动波的反射对钢轨短波长波磨的影响

地铁线路使用高弹扣件的直、曲线段均出现严重的短波长钢轨波磨(25 mm^30 mm)。针对该问题,在时域建立多车轮板式轨道系统模型研究了车轮间钢轨振动波反射而引起的垂向动态轮轨作用力。轮轨之间非线性的滚动接触等效为二维接触模型,其中纵向滑移区内的磨损与切应力引起的摩擦功成比例。综合瞬时轮轨动力学、接触力学和轮轨的长期磨损,对单、多轮轨作用下高弹扣件地铁线路以及普通扣件线路中钢轨波磨的进化过程分别进行仿真,通过对比结果表明使用高弹扣件地铁线路钢轨短波长波磨异常增长主要原因是钢轨振动波在临近车轮间的反射使得垂向动态接触力剧烈波动而加速轮轨间的不均匀磨损。最后,调频钢轨吸振器(TRD)引入系统模型并分析了其对这类短波长波磨的抑制作用,仿真结果表明TRD可以有效缓解车轮间的振动波反射以及相关的短波长波磨的异常增长。     

蠕滑力饱和条件下钢轨吸振器抑制短波波磨的理论研究

在一定条件下,钢轨吸振器对钢轨短波波磨具有良好的预防和抑制作用。然而,其抑制机理尚不明确。从蠕滑力饱和条件下,轮轨摩擦耦合自激振动引发钢轨短波波磨的角度,研究了钢轨吸振器抑制短波波磨的作用机理。理论分析结果显示钢轨吸振器的抑制频率区间与钢轨短波波磨的发生频率相重合。并且,钢轨吸振器能有效降低轮轨系统的摩擦自激振动强度,减小轮轨间法向接触力的波动幅度,进而能预防和抑制钢轨短波波磨的产生和发展。增大钢轨吸振器与轨腰之间的连接阻尼和连接刚度能增加轮轨系统的振动稳定性,有利于降低轨面发生短波波磨的可能性。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

Al_2O_3/CrN_x复合膜的摩擦磨损特性

为改善铝合金零部件的摩擦磨损特性,采用微弧氧化和射频磁控溅射技术,在2A12铝合金表面制备Al2O3/CrNx复合膜。用X射线衍射仪、涡流测厚仪、纳米硬度仪、微摩擦磨损试验机、非接触表面三维形貌仪及扫描电镜对Al2O3涂层及复合膜的相组成、膜厚、纳米硬度、摩擦磨损特性和磨痕形貌等进行了研究。实验结果表明:32μm厚的多孔Al2O3陶瓷涂层由α-Al2O3和γ-Al2O3相组成,外层1.2μm厚的CrNx膜由单质Cr,Cr2N和CrN相组成;Al2O3涂层及Al2O3/CrNx复合膜的摩擦因数和磨损率都随法向载荷的增加而增大,在相同实验参数下,复合膜的摩擦因数和磨损率都远小于Al2O3涂层的,这表明在Al2O3涂层表面沉积CrNx膜能明显改善其摩擦磨损特性,将延长对偶件的使用寿命。     

轮轨横向滑动稳定性对曲线啸叫噪声的影响

车轮相对于钢轨发生横向滑动时,轮轨接触面上的摩擦力变化会引起曲线啸叫噪声。因此首先建立了车轮的状态空间模型和轮轨接触摩擦模型,对轮轨横向接触过程采用4阶Runge-Kutta法进行了时域分析,研究了如横向滑动速度、接触力、阻尼等因素对滑动过程稳定性的影响,并结合实例计算进行了验证,最终得出结论:轮轨横向滑动过程出现不稳定的主要原因是接触面间摩擦系数变化引起的自激振动;当车轮阻尼大于等效阻尼临界值时会使滑动过程稳定;轮轨间的垂向刚度和阻尼会使系统不稳定频率与车轮模态频率产生偏移。     

考虑支点变形和摩擦的可倾瓦轴承动力学特性研究

针对球形支点可倾瓦轴承(tilting-pad journal bearing, TPJB)瓦块与支点滑动接触问题,采用紊流雷诺方程、赫兹接触理论和库伦摩擦定律建立了考虑支点弹性力和摩擦力矩的可倾瓦轴承系统非线性动力学模型和分析方法,研究了支点变形和摩擦对水润滑可倾瓦轴承轴心轨迹、瓦块振动响应和最小液膜厚度等动力学特性的影响,揭示了支点半径比和支点摩擦因数对轴承性能的影响规律。结果表明：支点变形可使系统振幅和最小膜厚皆增大;支点摩擦可使系统振幅减小,对最小膜厚影响较小且与动载大小有关;增大支点半径比和支点摩擦因数有利于降低系统振幅;当支点半径比为0.96～0.97、支点摩擦因数为0～0.15时,轴承有较高的承载能力。研究结果对球形支点可倾瓦轴承精确建模和优化设计有参考价值。     

考虑支点变形和摩擦的可倾瓦轴承动力学特性研究EI北大核心CSCD

针对球形支点可倾瓦轴承(tilting-pad journal bearing,TPJB)瓦块与支点滑动接触问题,采用紊流雷诺方程、赫兹接触理论和库伦摩擦定律建立了考虑支点弹性力和摩擦力矩的可倾瓦轴承系统非线性动力学模型和分析方法,研究了支点变形和摩擦对水润滑可倾瓦轴承轴心轨迹、瓦块振动响应和最小液膜厚度等动力学特性的影响,揭示了支点半径比和支点摩擦因数对轴承性能的影响规律。结果表明:支点变形可使系统振幅和最小膜厚皆增大;支点摩擦可使系统振幅减小,对最小膜厚影响较小且与动载大小有关;增大支点半径比和支点摩擦因数有利于降低系统振幅;当支点半径比为0.96~0.97、支点摩擦因数为0~0.15时,轴承有较高的承载能力。研究结果对球形支点可倾瓦轴承精确建模和优化设计有参考价值。     

质量-弹簧-带摩擦自激振动系统的分岔特性及其控制研究

为了深入研究摩擦自激振动系统的非光滑动力学机理,建立了含有Stribeck摩擦模型的具有代表性的质量-弹簧-带摩擦自激振动系统非线性动力学模型。利用数值仿真方法分析了自激振动系统在不同参数下的分岔特性,仿真结果表明:进给速度、阻尼系数和动静摩擦系数比均是影响系统运动状态的主要因素;进给速度较低时系统进行准周期振动,当进给速度达到0.4944时,系统开始出现超临界Hopf分岔现象;阻尼系数和动静摩擦系数比变化时系统有与进给速度变化时类似的特性。针对系统中存在的分岔现象,提出了Washout滤波器方法对其进行分岔控制。对比引入Washout滤波器前后系统的相图,得到Washout滤波器能使受控系统的自激振动振幅明显减小,拓扑结构得到明显改善,这间接的表明了在原系统中加入Washout滤波器设计的非线性控制器对摩擦系统进行分岔控制是一种比较有效的方法。     

横风环境中弓网动力学性能分析

为研究横风对弓网动力学性能的影响,基于AR模型的线性滤波法和Davenport风速谱,构建了受电弓-接触网系统的随机风场,获得了作用于受电弓和接触网的风速时程;建立受电弓/高速列车空气动力学仿真模型,采用计算流体力学方法求解了列车运行速度为300 km·h-1,不同横风速度下的受电弓气动抬升力,从而得到横风平均速度为20 m·s-1时,受电弓气动抬升力时程;采用三维弓网耦合动力学模型,系统分析了横风对弓网动力学的影响规律。研究表明,横风使得受电弓的气动抬升力变大,并与横风速度的平方成正比;受电弓气动抬升力的增加和波动,使得接触压力平均值以及标准差变大;接触网产生的风致振动改变了弓网之间的接触状态,导致接触压力波动范围变大,因此,列车在横风环境中运行时,不仅增大了弓网接触压力从而加剧了受电弓滑板和接触线的磨耗,而且使得接触压力最小值减小以及标准差增大,导致弓网受流质量显著降低。